变电站全站设备故障预警系统的研制

高兆丽， 孙英涛， 陈敬德， 罗林根， 盛戈皞

(1．国网山东省电力公司济南供电公司，济南 250012; 2．上海交通大学 电气工程系，上海 200240)

变电站全站设备故障预警系统的研制

高兆丽1， 孙英涛1， 陈敬德2， 罗林根2， 盛戈皞2

(1．国网山东省电力公司济南供电公司，济南 250012; 2．上海交通大学 电气工程系，上海 200240)

针对变电站各类在线监测装置准确率不高、使用效率低等特点，根据设备故障前一段时间某些异常如放电信号、接点温度和裂纹等会逐渐增大的特点，提出了一种低成本、高可靠性的变电站设备监测装置来及时发现这些较大的异常信号，并对可能发生故障的设备提前预警。系统综合了局部放电检测与定位、红外测温、全景视频监视和无线测温等先进检测技术，并采用车载式移动平台。现场测试结果表明系统显著地提高了巡检效率，降低了经济成本。

变电站设备；故障预警；局部放电；红外测温；无线测温

0 引 言

随着电网建设的发展, 变电站在线监测设备近年来逐步得到较多的应用，对提高设备运行、维护和管理水平起到了一定的作用[1-5]。但从近年来的应用情况来看，变电站在线监测设备的使用效果仍然存在一定的局限性，主要问题表现在[6]：

(1)目前对于变电站设备的在线监测主要针对GIS、变压器、容性设备等进行，要对全站的一次电气设备实施监测，就

需要在每一个设备上都安装监测装置，所需的费用极高。

(2)电力设备状态监测装置通常需要综合考虑干扰滤除、异常判断、阈值设定、灵敏度等，系统集成和技术复杂度较高，使得其经常出现误报或漏报的情况，现场使用效果一般。

(3)由于材料、技术和工艺等问题造成电力设备在线监测装置本身的故障率较高，在线监测装置的运行稳定性和可靠性较低。

(4)众多在线监测装置本身的后期维护及管理的工作量很大。

基于以上原因，现有的变电站电力设备在线监测技术认可度不高、无法大面积推广应用。然而另一方面，传统的巡视和带电检测方法因其有固定的检测试验周期，不能对设备运行的全过程进行监控，。因此国内外高压电力设备故障仍时有发生，包括变压器、GIS等价格昂贵、地位重要的电网关键设备发生的重大故障也并不鲜见。

相关故障案例分析表明：设备故障前一段时间某些异常信号会逐渐增大[7](如放电信号的增强、接点温度的升高、裂纹的扩大等)。本文提出利用低成本、高可靠性的变电站设备监测装置及时发现这些较大的异常信号，并对可能发生故障的设备提前预警，及时进行维护处置，能有效防止重大设备故障和停电事故的发生，从而降低变电站运维和管理成本，提高变电站安全运行水平和供电可靠性。

1 系统组成结构

变电站全站设备故障预警系统将选取变电站设备带电检测中最主要且行之有效的几个监测对象：局部放电、设备温升、关键点温度和设备外观，综合超高频(UHF)局部放电检测及定位、红外热像仪和全景视频监视等技术于一体。实现的主要功能有：(1)变电站全站局部放电大信号检测和定位；(2)变电站环境及设备外观多层次全景图像监控；(3)变电站全站设备的红外热成像监视及分析；(4)基于物联网无线自组网技术的变电站关键点温度分布式监测。其系统框架如图1所示。

图1 变电站全站设备故障预警系统框架

在该系统中，红外测温仪、全景摄像头、UHF局部放电定位系统和无线通信管理机等将集中安装在移动式平台中，如图2所示的车载式平台。

图2 车载式平台示意图

而无线温度监测探头则安装在变电站设备的关键点如变压器套管、电缆接头等。这样一个分布式、移动式相结合的结构一方面提高了整个系统的工作效率，车载式平台移动灵活，便于快速巡检及在不同变电站间开展检测业务，并可以依据此平台进行短期的在线监测。另一方面，移动式平台相对于长期式的在线式装置能有效地降低成本。

2 分系统设计

变电站全站局部放电基于大信号的分布式检测和定位技术的总体方案基本框图如图3所示。所采用的4个全向超高频天线传感器(带宽为300 MHz～1.5 GHz)组成传感器阵列对变电站空间内的超高频电磁波信号进行实时监测。当有局放信号产生时，天线阵列可分别接收到局放源激发的超高频电磁波信号，这些超高频电磁波信号经放大滤波等处理后送入超高速数据采集模块。超高速数据采集模块同步采样各个通道数据并按照规定的格式存储。数据处理模块主要完成背景干扰抑制、时延序列获取等功能，数据分析模块主要包括局放信号识别及归类、时延自适应补偿、定位计算等功能，最终确定局放源的三维空间坐标。并在变电站可视化三维空间视图中显示，对可能的故障设备进行预警。

图3 全站局放监测和定位子系统拓扑示意图

系统采用的DM60红外测温仪将红外热像仪与高倍变焦可见光摄像机置在同一云台上，既保证了两个摄像头监视的是同一个设备位置，也解决了红外热像中难以识别设备安装位置的问题，便于及时判断设备的具体过热点。所使用的AV8185DN网络摄像机内含4个分立的摄像头，采用全景图像拼接技术融合生成全景图像对变电站全站设备进行监视。

图4分别给出了无线测温系统中的智能传感器节点和无线通信管理机的系统框图。分布式布置的传感器节点与无线通信管理机相配合实现对变电站设备重要节点温度信息的采集，预处理和数据无线传输。本系统设计的无线温度传感器采用TI的CC2430作为主要的芯片实现传感器节点与通信管理机的上述功能。

图4 无线测温智能传感器系统框图

3 现场测试

为验证如图2所示变电站全站设备故障预警系统的各项子系统性能，在某220 kV变电站进行了现场测试。

图5 局放检测与定位效果图

局部放电检测与定位子系统的测试结果如图5所示，定位结果见表1。测试中在变电站复杂电磁环境中模拟了局部放电并对其定位。由表1可知，方向角误差均在2°以内，径向距离的误差均在15%以下，定位结果有较高的参考价值。

系统的红外测温、全景视频监视和分布式关键点温度监控等功能测试如图6所示。

测试结果表明本系统既能高效准确地对变电站全站设备进行检测和故障早期预警，又具有方便灵活、利于布置等优点，提高了使用效率。

表1 变电站局部放电定位测试结果

图6 系统界面示意图

4 结束语

本文针对变电设备故障发生前的较大异常信号提出的低成本、高可靠性的变电站设备监测装置， 对变电站全站设备故障早

期预警，及时进行维护处置，实际测试表明该系统能有效地提高巡检效率，降低变电站运维和管理成本，提高变电站安全运行水平和供电可靠性，具有一定的推广价值。

[1] 黄建华, 全零三. 变电站高压电气设备状态检修的现状及其发展[J]. 电力系统自动化，2001,25(16)：56-61.

[2] 侯慧娟，盛戈皞，苗培青，等. 基于超高频电磁波的局部放电空间定位[J]. 高电压技术，2012,38(6)：1334-1340.

[3] 陈衡, 侯善敬. 电力设备故障红外诊断[M]. 北京:中国电力出版社,1999.

[4] 梅鲁海. 基于SIP的新型变电站视频监控系统设计[J]. 电力系统自动化,2010,34(3):66-69.

[5] 刘建胜,酆达,张凡,等. 一种用于变电站高压触点温度在线监测的新方法[J]. 电力系统自动化,2004,28(4):54-57.

[6] 徐大可,张元林,王文胜,等.变电站电气设备在线监测综述[J].电力自动化设备,2001,21(9):54-57.

[7] 国家电网公司生产技术部．电网设备状态检测技术应用典型案例[M]．北京：中国电力出版社，2012.

Development of Early Warning System for Substation Equipment Failure

Gao Zhaoli1, Sun Yingtao1, Chen Jingde2, Luo Lingen2, Sheng Gehao2

(1. Jinan Power Supply Company, Shandong Electric Power Corporation, Jinan Shandong 250012, China;2. Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao tong University, Shanghai, 200240, China)

Aiming at low accuracy rating and service efficiency of all types of on-line monitoring devices in the substations, this paper proposes a low-cost, high reliability devices for monitoring of substation equipment to detect these major abnormal signals, with early warning for the equipment that may occur faults and this device is designed on ths basis of the behaviour i.e. in the early stage of equipment failure some abnormity such as discharge signals, junction temperature and cracks will gradually increase. The system integrates the advanced detection technology including detection and location of partial discharge, infrared temperature measurement, panorama video surveillance and wireless temperature measurement and adopts vehicle-mounted mobile platform. Field test results show that the system can significantly improve the patrol efficiency and reduce the economic costs.

substation equipment；failure prewarning；partial discharge；infrared temperature measurement；wireless temperature measurement

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.012

TM764.2

A

1000-3886(2016)05-0036-02

高兆丽(1976-),女，山东人，高级工程师,主要从事变电设备状态检修方面的工作。 孙英涛(1976-)，男，山东人，高级工程师，主要从事变电设备状态检修方面的工作。 陈敬德(1993-)，男，河南人，硕士，研究方向为电力设备状态在线监测。 罗林根(1982-)，男，福建人，博士，研究方向为输变电设备状态监测，智能电网。 盛戈皞(1974-)，男，河南人，副教授，长期从事输变电设备状态监测及其智能化。

定稿日期: 2016-04-22